[pt] Este trabalho visa simular situações que levam uma rocha a ruptura considerando o fluxo de fluidos, em uma tentativa de correlacionar os mecanismos envolvidos na ruptura ao processo conhecido como produção de areia em rochas reservatório, ou seja, a produção de sólidos durante a extração de hidrocarbonetos. Há algum tempo este assunto tem sido tratado do ponto de vista da mecânica das rochas dada a similaridade do seu comportamento com outros fenômenos estudados nesta área. Como se trata de um processo de extração de fluidos, a sua influência deve ser considerada no comportamento mecânico da rocha. Assim, simulações numéricas, representativas de situações favoráveis a este fenômeno, foram analisadas, utilizando-se, para tal, o programa comercial de elementos finitos ABAQUS, que permite a simulação do processo de acoplamento fluido mecânico. Dada a flexibilidade demonstrada pelo pacote numérico, possibilitou-se a implementação de um modelo elastoplástico e a verificação de sua eficiência na representação do comportamento da rocha reservatório neste processo. A implementação numérica baseou-se no conhecido modelo de Lade-Kim. Este modelo é apropriado à descrição do comportamento de materiais geomecânicos granulares. Trabalhos experimentais em paralelo procuram determinar os parâmetros do modelo de Lade-Kim. Estes parâmetros são usados na análise numérica. / [en] This work aims to simulate situations that take a rock the rupture considering the fluid flow, in an attempt to correlate the involved mechanisms in the rupture to the know process as sand production in rocks reservoir, that is, solid production during hydrocarbon extraction. Numerical simulations using the commercial finite element program ABAQUS, reproduce fluid-mechanical coupling, and allowing the implementation of an elastoplastic rock material behavior. More precisely, the author implemented a numerical routine based on the well-known Lade-Kim elastoplastic model, which can suitably describe the behavior of geomaterials subjected to external stress-strain fields.

[pt] Problemas de engenharia geotécnica onde a resistência ao cisalhamento é fator determinante para o projeto são geralmente avaliados com base no critério de ruptura de Mohr-Coulomb; no entanto, modelos constitutivos avançados são necessários para abordar grande parte de problemas geotécnicos onde estimativas de deformação são necessárias. Lade e Kim propuseram um modelo constitutivo elastoplástico avançado para investigar o comportamento tensão vs. deformação de materiais com atrito, sob condição drenada ou não drenada. Nesta dissertação, este modelo foi implementado no programa computacional de diferenças finitas FLAC3D com o objetivo de estudar o comportamento elasto-plástico de aterros. As equações governantes do modelo constitutivo de Lade-Kim são apresentadas e um algoritmo explícito de integração de tensões foi implementado na presente pesquisa. Os resultados numéricos obtidos com o modelo de Lade e Kim foram comparados com aqueles publicados na literatura, envolvendo ensaios triaxiais de laboratório realizados em areia e análises numéricas 2D do comportamento de barragem. Finalmente, após validação da implementação do modelo, análises do comportamento 2D e 3D de aterros foram executadas, verificando a influência destes tipos de análise nos valores calculados, bem como resultados numéricos foram também comparados com aqueles determinados pelo tradicional modelo elasto-plástico de Mohr-Coulomb. / [en] Geotechnical engineering problems, where the design is mainly influenced by the shear strength, can be successfully analyzed considering a traditional constitutive model; however, advanced constitutive models must be used when the estimative of deformation is an important factor to be considered. Lade and Kim proposed the Lade-Kim model in order to model a granular material stress-strain constitutive relation under different combinations of effective stress and drained or undrained conditions. In this dissertation, this model is implemented and validated in the FLAC3D finite volume program, in order to study the elasto-plastic behavior of embankments. The governing equations of the constitutive model of Lade-Kim are presented and, using an appropriate stress integration algorithm, it is implemented in FLAC3D. This procedure is validated by using experimental results of triaxial tests performed on the sand of the Sacramento River and performing two-dimensional deformation analyzes of embankments and comparing the results with the literature. Finally, the Lade-Kim model is used in two-dimensional and three-dimensional deformation analyses of embankments in order to analyze the influence of the three-dimensional condition. On the other hand, the same analyzes were carried out using the Mohr- Coulomb constitutive model in order to compare the results and analyze the efficiency of the Lade-Kim constitutive model. Thus, it is concluded that the Lade-Kim constitutive model was successfully implemented and that it provides accurate results regarding modeling geomechanical behavior under different combinations of effective stresses.

[pt] O presente trabalho tem como objetivo a implementação e avaliação de um modelo constitutivo para solos reforçados com fibra (compósito). A principal característica do modelo constitutivo implementado é que cada material (matriz de solo e fibra) segue sua própria lei constitutiva e ao mesmo tempo interagem entre si. Utilizando um algoritmo explícito, são implementados os modelos Cam Clay Modificado e Lade-Kim para a matriz de solo, cuja verificação é feita mediante o programa PLAXIS 2D e curvas tensão-deformação obtidas da literatura, respectivamente. Posteriormente, é adicionado o comportamento da fibra no desenvolvimento das tensões no compósito e verificado mediante a comparação das curvas tensão-deformação com as apresentadas por Diambra et al. (2013). As linguagens de programação utilizadas neste trabalho foram duas, a primeira é a utilizada no programa MATLAB, onde os códigos dos modelos são verificados e validados em relação à um conjunto de ensaios triaxiais de areia reforçada com fibra. Posteriormente foi usada a linguagem de programação FORTRAN para incluir o modelo constitutivo para solo reforçado com fibras no programa de elementos finitos ABAQUS, através da sub-rotina UMAT. Porém, para a implementação na sub-rotina UMAT os códigos dos modelos implementados no MATLAB sofrem algumas modificações com a finalidade de que o ABAQUS consiga compilar e representar adequadamento o comportamento do modelo constitutivo, mediante a correta utilização de vetores e propriedades desta. Finalmente, são modelados ensaios triaxiais drenados para verificar que a implementação mediante a sub-rotina UMAT é satisfatória. / [en] The present work aims to implement and evaluate a constitutive model for fiber-reinforced soils (composite). The main characteristic of the constitutive model implemented is that each material (soil and fiber matrix) follows its own constitutive law and at the same time interact with each other. Using an explicit algorithm, the Cam Clay Modified and Lade-Kim models are implemented for the soil matrix, verified by the PLAXIS 2D software and stress-strain curves obtained from the literature, respectively. Later, it is included the behavior of the fiber in the development of the stresses in the composite and verified by the comparison of the stress-strain curves with those presented by Diambra et al. (2013). The programming languages used in this work were two, the first one is the one used in the MATLAB program, where the codes of the models are verified and validated in relation to a set of triaxial tests of fiber-reinforced sands. Later the programming language was converted into FORTRAN to include the constitutive model for fiber reinforced soil in the ABAQUS finite element software, through the UMAT subroutine. However, for the implementation in the UMAT subroutine the codes of the models implemented in MATLAB undergo some modifications in order that ABAQUS can compile and represent adequately the behavior of the constitutive model through the correct use of vectors and its properties. Finally, drained triaxial tests are modeled to verify that the implementation through the UMAT subroutine is satisfactory.